Witaj Habro! W tym artykule podpowiemy Ci, czy warto organizować macierze RAID w oparciu o rozwiązania półprzewodnikowe SATA SSD i NVMe SSD i czy będzie na tym poważny zysk? Postanowiliśmy przyjrzeć się temu zagadnieniu, biorąc pod uwagę rodzaje i typy sterowników, które na to pozwalają, a także zakres zastosowania takich konfiguracji.
Tak czy inaczej, każdy z nas przynajmniej raz w życiu słyszał takie definicje, jak „RAID”, „tablica RAID”, „kontroler RAID”, ale jest mało prawdopodobne, abyśmy przywiązywali do tego poważną wagę, ponieważ wszystko to mało prawdopodobne dla zwykłego bojara komputerowego Ciekawe. Ale każdy chce dużych prędkości z dysków wewnętrznych i bezawaryjnej pracy. W końcu niezależnie od tego, jak mocny jest sprzęt komputera, prędkość dysku staje się wąskim gardłem, jeśli chodzi o łączną wydajność komputera PC i serwera.
Dokładnie tak było, dopóki tradycyjne dyski twarde nie zostały zastąpione nowoczesnymi dyskami SSD NVMe o porównywalnej pojemności 1 TB lub większej. A jeśli wcześniej w komputerach PC często występowały kombinacje dysków SSD SATA + kilka pojemnych dysków twardych, dziś zaczynają je zastępować inne rozwiązanie - dysk SSD NVMe + kilka pojemnych dysków SSD SATA. Jeśli mówimy o serwerach korporacyjnych i „chmurach”, wiele z nich z powodzeniem przeszło na dyski SSD SATA po prostu dlatego, że są one szybsze niż konwencjonalne „puszki” i są w stanie przetwarzać jednocześnie większą liczbę operacji we/wy.
Jednak odporność systemu na awarie wciąż jest na dość niskim poziomie: nie jesteśmy w stanie, jak w „Bitwie o wróżki”, przewidzieć z dokładnością nawet do tygodnia, kiedy dany dysk SSD padnie. A jeśli dyski twarde „umierają” stopniowo, co pozwala wykryć objawy i podjąć działania, wówczas dyski SSD „umierają” natychmiast i bez ostrzeżenia. A teraz nadszedł czas, aby dowiedzieć się, dlaczego to wszystko jest w ogóle potrzebne? Czy warto organizować macierze RAID w oparciu o rozwiązania półprzewodnikowe SATA SSD i NVMe SSD i czy będzie na tym poważny zysk?
Dlaczego potrzebujesz macierzy RAID?
Samo słowo „tablica” sugeruje już, że do jej utworzenia wykorzystuje się kilka dysków (HDD i SSD), które są łączone za pomocą kontrolera RAID i rozpoznawane przez system operacyjny jako pojedynczy magazyn danych. Globalnym zadaniem, jakie mogą rozwiązać macierze RAID, jest minimalizacja czasu dostępu do danych, zwiększenie szybkości odczytu/zapisu i niezawodności, co osiąga się dzięki możliwości szybkiego przywrócenia sprawności w przypadku awarii. Nawiasem mówiąc, używanie macierzy RAID do tworzenia kopii zapasowych w domu wcale nie jest konieczne. Ale jeśli masz własny serwer domowy, do którego potrzebujesz stałego dostępu 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, to inna sprawa.
Istnieje kilkanaście poziomów macierzy RAID, z których każdy różni się liczbą zastosowanych w nim dysków oraz ma swoje zalety i wady: przykładowo RAID 0 pozwala uzyskać wysoką wydajność bez odporności na awarie, RAID 1 pozwala automatycznie kopiuje dane bez zwiększania prędkości, a kombinacje RAID 10 zawierają możliwości powyższych. RAID 0 i 1 są najprostsze (ponieważ nie wymagają obliczeń programowych) i w rezultacie najpopularniejsze. Ostatecznie wybór na korzyść tego lub innego poziomu RAID zależy od zadań przypisanych do macierzy dyskowej i możliwości kontrolera RAID.
Domowa i firmowa macierz RAID: jaka jest różnica?
Podstawą każdego nowoczesnego biznesu są duże ilości danych, które muszą być bezpiecznie przechowywane na firmowych serwerach. A także, jak zauważyliśmy powyżej, należy zapewnić im stały dostęp 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Wiadomo, że obok sprzętu ważna jest także część programowa, jednak w tym przypadku wciąż mówimy o sprzęcie zapewniającym niezawodne przechowywanie i przetwarzanie informacji. Żadne oprogramowanie nie uchroni firmy przed ruiną, jeśli sprzęt nie będzie spełniał postawionych przed nim zadań.
Do tych zadań każdy producent sprzętu oferuje tak zwane urządzenia korporacyjne. Kingston posiada w swojej ofercie wydajne rozwiązania półprzewodnikowe w postaci modeli SATA и , a także modele NVMe DC1000M U.2 NVMe, DCU1000 U.2 NVMe i DCP-1000 PCI-e, przeznaczone do stosowania w centrach danych i superkomputerach. Macierze takich dysków są zwykle używane w połączeniu ze sterownikami sprzętowymi.
Na rynek konsumencki (czyli do komputerów domowych i serwerów NAS) dyski takie jak NVMe PCIe, ale w tym przypadku nie jest konieczne kupowanie kontrolera sprzętowego. Możesz ograniczyć się do komputera PC lub serwera NAS wbudowanego w płytę główną, chyba że oczywiście planujesz samodzielnie złożyć serwer domowy do nietypowych zadań (np. uruchomienie małego domowego hostingu dla znajomych). Ponadto domowe macierze RAID z reguły nie wymagają setek ani tysięcy dysków, ograniczając się do dwóch, czterech i ośmiu urządzeń (zwykle SATA).
Rodzaje i typy kontrolerów RAID
Istnieją trzy typy kontrolerów RAID oparte na zasadach implementacji macierzy RAID:
1. Oprogramowanie, w którym zarządzanie tablicą przypada na procesor i pamięć DRAM (czyli kod programu wykonywany jest na procesorze).
2. Zintegrowane, czyli wbudowane w płyty główne komputera PC lub serwera NAS.
3. Sprzęt (modułowy), czyli oddzielne karty rozszerzeń dla złączy PCI/PCIe na płytach głównych.
Jaka jest ich zasadnicza różnica między sobą? Programowe kontrolery RAID są gorsze od zintegrowanych i sprzętowych pod względem wydajności i odporności na awarie, ale nie wymagają specjalnego sprzętu do działania. Jednakże ważne jest, aby upewnić się, że procesor systemu hosta jest wystarczająco mocny, aby uruchomić oprogramowanie RAID bez negatywnego wpływu na wydajność aplikacji działających również na hoście. Zintegrowane kontrolery są zwykle wyposażone we własną pamięć podręczną i zużywają określoną ilość zasobów procesora.
Ale sprzętowe mają zarówno własną pamięć podręczną, jak i wbudowany procesor do wykonywania algorytmów programowych. Zazwyczaj pozwalają na realizację wszystkich typów poziomów RAID i obsługują kilka typów dysków jednocześnie. Na przykład nowoczesne kontrolery sprzętowe firmy Broadcom mogą jednocześnie łączyć urządzenia SATA, SAS i NVMe, co pozwala uniknąć zmiany kontrolera podczas aktualizacji serwerów: w szczególności przy przejściu z dysku SSD SATA na dysk SSD NVMe nie ma konieczności zmiany kontrolerów.
Właściwie w tym miejscu dochodzimy do typologii samych kontrolerów. Jeśli są trzymodowe, czy powinny być jakieś inne? W tym przypadku odpowiedź na to pytanie będzie twierdząca. W zależności od funkcji i możliwości kontrolery RAID można podzielić na kilka typów:
1. Zwykłe kontrolery z funkcją RAID
Jest to najprostszy w całej hierarchii kontroler, który umożliwia łączenie dysków twardych i dysków SSD w macierze RAID o poziomach „0”, „1” lub „0+1”. Jest to realizowane programowo na poziomie oprogramowania sprzętowego. Jednak takich urządzeń raczej nie można polecić do użytku w segmencie korporacyjnym, ponieważ nie mają pamięci podręcznej i nie obsługują tablic poziomów „5”, „3” itp. Ale w przypadku podstawowego serwera domowego są one całkiem odpowiednie.
2. Kontrolery współpracujące z innymi kontrolerami RAID
Ten typ kontrolera można sparować ze zintegrowanymi kontrolerami płyty głównej. Realizowane jest to według następującej zasady: dyskretny kontroler RAID zajmuje się rozwiązywaniem problemów „logicznych”, a wbudowany przejmuje funkcje wymiany danych pomiędzy dyskami. Ale jest niuans: równoległa praca takich kontrolerów jest możliwa tylko na kompatybilnych płytach głównych, co oznacza, że ich zakres zastosowania jest poważnie ograniczony.
3. Samodzielne kontrolery RAID
Te dyskretne rozwiązania zawierają na pokładzie wszystkie niezbędne chipy do współpracy z serwerami klasy Enterprise, posiadającymi własny BIOS, pamięć podręczną i procesor do szybkiej korekcji błędów i obliczania sum kontrolnych. Ponadto spełniają wysokie standardy niezawodności w zakresie produkcji i posiadają wysokiej jakości moduły pamięci.
4. Zewnętrzne kontrolery RAID
Nietrudno zgadnąć, że wszystkie wymienione powyżej kontrolery są wewnętrzne i pobierają zasilanie przez złącze PCIe płyty głównej. Co to znaczy? A awaria płyty głównej może skutkować błędami w działaniu macierzy RAID i utratą danych. Kontrolery zewnętrzne są wolne od tego nieporozumienia, ponieważ umieszczono je w osobnej obudowie z niezależnym zasilaniem. Pod względem niezawodności takie kontrolery zapewniają najwyższy poziom przechowywania danych.
, Microsemi Adaptec, Intel, IBM, Dell i Cisco to tylko kilka firm oferujących obecnie sprzętowe kontrolery RAID.
Tryby pracy kontrolerów RAID SAS/SATA/NVMe
Głównym celem trójmodowych kontrolerów HBA i RAID (lub kontrolerów z funkcją Tri-Mode) jest utworzenie sprzętowej macierzy RAID opartej na NVMe. Kontrolery serii 9400 firmy Broadcom mogą to zrobić: na przykład: . Należy do niezależnego typu kontrolera RAID, wyposażony jest w cztery złącza SFF-8643 i dzięki obsłudze Tri-Mode umożliwia jednoczesne podłączenie dysków SATA/SAS i NVMe. Ponadto jest to również jeden z najbardziej energooszczędnych kontrolerów na rynku (zużywa zaledwie 17 W energii, przy czym na każdy z 1,1 portów przypada niecałe 16 W).
Interfejs połączeniowy to PCI Express x8 w wersji 3.1, który pozwala na przepustowość na poziomie 64 Gbit/s (kontrolery dla PCI Express 2020 mają pojawić się w 4.0 roku). 16-portowy kontroler oparty jest na 2-rdzeniowym chipie i 72-bitową pamięć DDR4-2133 SDRAM (4 GB), a także możliwość podłączenia do 240 dysków SATA/SAS lub do 24 urządzeń NVMe. Jeśli chodzi o organizację macierzy RAID, obsługiwane są poziomy „0”, „1”, „5” i „6”, a także „10”, „50” i „60”. Nawiasem mówiąc, pamięć podręczna i inne kontrolery serii 9400 są chronione przed awariami napięcia za pomocą opcjonalnego modułu CacheVault CVPM05.
Technologia trzech trybów opiera się na funkcji konwersji danych SerDes: konwertowaniu szeregowej reprezentacji danych w interfejsach SAS/SATA na postać równoległą w PCIe NVMe i odwrotnie. Oznacza to, że kontroler negocjuje prędkości i protokoły, aby bezproblemowo współpracować z dowolnym z trzech typów urządzeń pamięci masowej. Zapewnia to płynny sposób skalowania infrastruktury centrum danych: użytkownicy mogą korzystać z NVMe bez wprowadzania znaczących zmian w konfiguracji innych systemów.
Planując jednak konfiguracje z dyskami NVMe warto wziąć pod uwagę, że rozwiązania NVMe wykorzystują do połączenia 4 linie PCIe, co oznacza, że każdy dysk wykorzystuje wszystkie linie portów SFF-8643. Okazuje się, że do kontrolera MegaRAID 9460-16i bezpośrednio można podłączyć tylko cztery dyski NVMe. Lub ogranicz się do dwóch rozwiązań NVMe, jednocześnie podłączając osiem dysków SAS (patrz schemat połączeń poniżej).
Rysunek przedstawia zastosowanie złącza „0” (C0 / Złącze 0) i złącza „1” dla połączeń NVMe, a także złączy „2” i „3” dla połączeń SAS. Układ ten można odwrócić, ale każdy dysk x4 NVMe musi być podłączony za pomocą sąsiednich pasów. Tryby pracy kontrolera ustawia się za pomocą narzędzi konfiguracyjnych StorCLI lub Human Interface Infrastructure (HII), które działają w środowisku UEFI.
Domyślnym trybem jest profil „PD64” (obsługuje tylko SAS/SATA). Jak powiedzieliśmy powyżej, istnieją w sumie trzy profile: tryb „tylko tryb SAS/SATA” (PD240 / PD64 / PD 16), tryb „tylko tryb NVMe” (PCIe4) i tryb mieszany, w którym wszystkie typy dysków może obsługiwać: „PD64 -PCIe4” (obsługa 64 dysków fizycznych i wirtualnych z 4 dyskami NVMe). W trybie mieszanym wartość określonego profilu powinna wynosić „ProfileID=13”. Nawiasem mówiąc, wybrany profil zostaje zapisany jako główny i nie jest resetowany nawet po powrocie do ustawień fabrycznych za pomocą polecenia Ustaw ustawienia fabryczne. Można go zmienić tylko ręcznie.
Czy warto tworzyć macierz RAID na dysku SSD?
Zatem zrozumieliśmy już, że macierze RAID są kluczem do wysokiej wydajności. Ale czy warto budować RAID z dysków SSD do użytku domowego i korporacyjnego? Wielu sceptyków twierdzi, że wzrost prędkości nie jest na tyle znaczący, aby wydawać pieniądze na dyski NVMe. Ale czy tak jest naprawdę? Ledwie. Największym ograniczeniem stosowania dysków SSD w macierzy RAID (zarówno w domu, jak i na poziomie przedsiębiorstwa) może być właśnie cena. Cokolwiek można powiedzieć, koszt gigabajta miejsca na dysku twardym jest znacznie tańszy.
Podłączenie wielu „dysków” półprzewodnikowych do kontrolera RAID w celu utworzenia macierzy SSD może mieć ogromny wpływ na wydajność w niektórych konfiguracjach. Nie zapominaj jednak, że maksymalna wydajność jest ograniczona przepustowością samego kontrolera RAID. Poziom RAID zapewniający najlepszą wydajność to RAID 0.
Konwencjonalna macierz RAID 0 z dwoma dyskami SSD, w której zastosowano metodę dzielenia danych na stałe bloki i rozkładania ich na nośniki półprzewodnikowe, zapewni dwukrotnie większą wydajność w porównaniu z pojedynczym dyskiem SSD. Jednak macierz RAID 0 z czterema dyskami SSD będzie już czterokrotnie szybsza niż najwolniejszy dysk SSD w macierzy (w zależności od ograniczenia przepustowości na poziomie kontrolera RAID SSD).
Z prostych obliczeń wynika, że dysk SSD SATA jest około 3 razy szybszy niż tradycyjny dysk twardy SATA. Rozwiązania NVMe są jeszcze bardziej wydajne – 10 razy i więcej. Zakładając, że dwa dyski twarde w zerowej macierzy RAID wykażą dwukrotnie większą wydajność, zwiększając ją o 50%, dwa dyski SSD SATA będą 6 razy szybsze, a dwa dyski SSD NVMe będą 20 razy szybsze. W szczególności pojedynczy dysk Kingston KC2000 NVMe PCIe może osiągnąć sekwencyjną prędkość odczytu i zapisu do 3200 MB/s, która w formacie RAID 0 osiągnie imponujące 6 GB/s. Szybkość odczytu/zapisu losowych bloków o rozmiarze 4 KB zmieni się z 350 000 IOPS do 700 000 IOPS. Ale… jednocześnie „zero” RAID nie zapewnia nam redundancji.
Można powiedzieć, że w środowiskach domowych nadmiarowość pamięci masowej zwykle nie jest potrzebna, dlatego najbardziej odpowiednią konfiguracją RAID dla dysków SSD jest tak naprawdę konfiguracja RAID 0. Jest to niezawodny sposób na uzyskanie znacznej poprawy wydajności jako alternatywa dla korzystania z technologii takich jak oparte na Intel Optane dyski SSD. Ale o tym, jak rozwiązania SSD zachowują się w najpopularniejszych typach RAID („1”, „5”, „10”, „50”), porozmawiamy w kolejnym artykule.
Ten artykuł został przygotowany przy wsparciu naszych kolegów z firmy Broadcom, którzy dostarczają swoje kontrolery inżynierom firmy Kingston do testowania dysków SATA/SAS/NVMe klasy korporacyjnej. Dzięki tej przyjaznej symbiozie klienci nie muszą wątpić w niezawodność i stabilność dysków Kingston z fabrycznymi kontrolerami HBA i RAID. .
Więcej informacji na temat produktów firmy Kingston można znaleźć na stronie firma.
Źródło: www.habr.com